0 引　言

人机交互是计算机学、设计学、心理学、行为学、人工智能等科学的交叉与融合，是研究人、计算机以及它们间相互影响的技术，是实现用户与计算机之间进行信息交换的通路。随着计算机技术、信息网络技术、传感器技术等飞速发展，以人为中心、自然、高效成为人机交互技术发展主要目标，计算机系统拟人化及微型化、嵌入化是两大发展方向，前者以虚拟现实为代表，后者以智能平板、嵌入式穿戴设备为代表，两者均具有巨大的军事运用潜力得到广泛关注^[1-3]。

美国国防部将以虚拟现实技术为标志的“建模与仿真技术”作为21世纪保证美军优势地位的七大关键技术之一，围绕此领域进行了大量投入。2018年12月，美海军作战部长签署并发布《维持海上优势规划》2.0，明确指出要扩大真实、虚拟和构造（LVC）训练的使用，以支持训练和作战对规模、复杂性和安全性不断增长的需求。2020年12月，美海军部发布新版海上三军战略——《海上优势——以一体化全域海上军事力量制胜》，将适应复杂多变环境的人员培训及教育确定为能力建设优先发展五方面之一，要求培训、教育和作战研究中心在“混合仿真”培训环境中开展分布式培训活动。2021年1月，美海军作战部长签发《海军作战部规划指南》，人员培训是该文件四大内容之一，明确指出将持续发展“准备好的相关学习”（RRL）和LVC培训，前者与便携式智能设备相关，如安装在平板中的交互式电子技术手册，后者与虚拟现实、增强现实等相关^[4-7]。

目前美海军一方面不断通过综合化、集成化、自动化等先进技术以及交互式电子技术手册的运用加强人机交互效率，提升作战能力，另一方面利用虚拟现实、增强现实等技术构建一系列的训练系统，涉及潜、舰、机等装备。

1 利用自动化、集成化等技术优化人机交互

美海军认为，舰艇指挥控制系统与管理系统的自动化是目前实现减少舰艇人员、节约成本、支撑建设高性能作战平台的重要手段，该发展理念凸显了人机交互在舰艇上的优化。以潜艇为例，美海军认为潜艇平台管理系统必须是一体、灵活开放、鲁棒以及统一的，强调操艇控制站设计只需2个操作员就可完成所有的平台管理功能，认为并排布置2个操艇员是最佳座位布置形式，利于2个操作员之间协作，从而减少由于相互协作不足而引起管理上的人为失误，如图1所示。

随着装备采集的数据越来越多，为提高作战效率，美海军最新型“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇操控系统进行了大幅革新，操控部位大面积的触摸式显示屏取代“洛杉矶”级上大量分散的传统显示屏；高度自动化的电传操纵系统代替了以往传统的模拟液压操纵系统，凭借快速实时显示的艇位详细数据，2名操控人员用两个操纵杆，利用触摸屏幕，就能够完成以往“洛杉矶”级级核潜艇需要3名操纵人员完成的航行、潜浮和均衡等工作。

2 利用交互式电子技术手册提高人机交互效率

交互式电子技术手册（interactive electronic technical manual, IETM）出现于20世纪90年代，目前已成为美国推行的计算机辅助后勤保障（CALS）战略的重要组成部分，也是装备保障信息化技术研究和应用热点之一。长期以来，IETM一直受到美国海军和工业界的重视，这主要是因为IETM不仅作为一种电子手册，实现了技术手册的数字化，而且它具有交互功能，实现了技术手册的智能化。更为重要的是，IETM的数据格式采用了当前美国海军和国际通用的成熟标准，从根本上为实现数据的互操作和共享性、实现数据的网络集成化提供了可能。而这些正是实现装备保障信息化，实现CALS理念的最基本、最核心的技术。

IETM的用户可以是产品的设计人员、生产制造人员和产品保障人员。目前，IETM最适用于维修手册，它可以将装备所需的有关故障查找与维修方面的全部技术信息集合到数据库中，为用户智能化地提供故障诊断和查找程序，使维修人员在任何需要的时间、场所和地点获得充分的信息支持。IETM数据不同于一般的计算机文件或多媒体数据库，而是把一套文档或手册的信息数据划分成许多信息对象，将其作为基本信息单元存储在数据库中，相互关联的信息数据按照一定的结构存储。读者阅读时，信息数据可以以文字、表格、图像、图纸、声音、视频、动画等多种形式表现，用户可以与计算机交互，信息数据相互参引，具有多种查询和导航功能，显示样式遵循统一标准。

按照IETM内容存储的体系结构、数据格式、显示方式和功能，国际上通常将IETM分为5级。目前，美国很多武器装备配备的IETM属于4级，具备数据库管理系统、对话驱动交互等能力，尚未完全形成5级IETM具有的人工智能、专家系统、自动诊断能力。

据美国国防部发布的材料透露，“艾森豪威尔”号航空母舰由于使用IETM，维护进度提前18个月，节省8000万美元；美国海军“宙斯盾”作战系统由于使用了IETM，每年至少节约100万美元。美国马丁·玛丽埃塔公司用近一年时间、动用20多位专家完成美海军蒸汽涡轮机维护手册，该IETM的每一个项目，都包含10万页以上文字和1.4万个以上图形文件。另外配合声音、影像和动画多媒体效果，使该手册获得空前成功，为美海军节省了18%～44%的机器维修时间，并减少50%的训练课程及43%的训练天数。

3 基于增强现实的人机交互系统

增强现实技术是将计算机生成的文字、图标、影像等虚拟要素，通过融合显示技术，叠加到人的真实视野中，以此对真实视野中的对象和物体进行强调或说明，达到增强视觉感观的作用。由于增强现实技术可提供全新的战场环境态势感知能力、高真实度的训练和演习环境等，得到外军重视。

1）增强态势感知。

F-35是美军最新一代战斗机，已在海军中服役162架。为加强飞行员态势感知能力，提高飞行员对战斗机的掌控能力，其采用了先进的头盔综合显示系统去取代传统的驾驶座舱平视显示系统。2003年8月，洛克希德·马丁公司授予国际视觉系统（VSI）公司8465万美元合同，为F-35研发先进的头盔显示系统。到2016年11月，完成最终定型的F-35战机“第三代头盔显示系统”可通过分布在机身表面的6个高清视频和红外摄像机，直接将机外影像实时投射到头盔显示系统，配合飞机头部跟踪系统，使飞行员视野穿透飞机，实现全方位态势感知，还在飞行员视野画面中显示空速、航向、高度、目标、告警等信息，辅助飞行员第一时间做出正确判断。截至目前，该头盔已交付1500多副，累计飞行时间超过31.7万小时。

除F-35的头盔显示系统外，美海军在2016年6月发布了潜水员增强视觉显示头盔系统，可向潜水员提供从图表到文字的各类实时信息，确保潜水员在危险水下环境中安全高效地执行任务；在2017年开发了舰炮操控增强现实头盔系统样机，通过头盔传达清晰的视觉指令信号，解决了复杂环境下射击指令来源不一的问题。

2）用于模拟训练。

早期利用增强现实技术的模拟训练尚未脱离显示器、键盘的人机交互模式，如美海军实验室为潜艇艇员培训研制的虚拟维修培训系统。该系统一方面培养初级艇员维修技巧，使其迅速掌握、熟悉潜艇设备以及艇上工作，另一方面使艇员在岸上休整期间仍能接触逼真的艇上维修工作环境，保持、提高艇员工作技能。

如图2所示，潜艇虚拟维修培训系统架构主要由图形用户界面（GUI）、数据库管理模块（DbMan）和服务启动程序模块（spawn）3部分构成。通过该系统，艇员能学习维修艇上系统设备的相关知识、熟悉潜艇各设备位置，还能进行单人、多人模拟维修训练，对系统模拟仿真的45个不同型号艇上设备进行检测、维修训练。

熟悉设备布局方面，仿真系统中需维修设备的相关知识及位置信息等内容通过高分辨率图像展示进行培训，艇员可与仿真系统模拟互动，逐级浏览潜艇全景、局部舱室、艇上设备等。艇员在熟悉潜艇设备位置信息的同时，亦可浏览艇上设备功能、作用、特性等相关知识信息。

单人与多人培训方面，虚拟维修培训系统设置有多种单人维修情景任务包，受训艇员需在电脑上操作测试表及校准仪等虚拟工具并将其正确链接至受测点及端口，完成检测、检修等艇上设备维修工作。而在艇员受测过程中，教官也可随时触发艇上设备故障事件，例如测试数据超过或未达到标准值，此时受训艇员将开展艇上设备维修环节，完成虚拟维修任务。通过以上培训使艇员熟练掌握标准维护程序。

在潜艇系统设备多人维修工作培训上，将采用联网、多用户访问的方式，使多名受训艇员参与艇上设备虚拟维修。在该模式下，教官可实时浏览各艇员操作情况、动态信息以及工作进度，并可执行语音授课或添加艇上设备故障脚本，测试受训艇员等操作。维修培训与实际维修流程一样，受训艇员需在电脑界面上关闭相关阀门之后才可进行维修，受训艇员需在潜艇虚拟维修培训系统中对所用测试工具、维修工作内容、维修操作顺序等问题作出选择判断以达到培训的目的。如果受训艇员维修操作不合规范（如未关阀门便卸下封头）将会受到扣分及警告等处罚措施。同时为了尽可能贴近实际，受训艇员成功完成虚拟维修后，也须填写维修工作记录及更新设备标签，并确保所填写的维修工作情况与模拟维修考核内容相吻合，这也是潜艇虚拟维修培训系统考核的一环。

增强现实技术进一步发展后，键盘、鼠标的人机交互模式就被大型、高分辨率显示系统和实物仿真系统所取代。以美捷（Mggitt）公司2017年推出的枪械虚拟训练模拟器（FATS 100MIL）为例，该系统广泛用于海军陆战队队员进行作战训练，通过分辨率为1920×1080的投影设备逼真的展现了室内外场景，可同时录入16款武器的数据信息，每名学员最多可同时使用4件武器，最多允许3个系统连接共计15人48件武器进行战术训练。该系统可模拟风、雨、雪等不同室外环境及低可视度室内环境，

目前，增强现实技术进一步发展，大屏幕显示设备被头戴式虚拟显示系统所取代，操作输入设备具有多种反馈功能，能够更加真实、高效的模拟训练环境。2019年8月，美国海军研究署（ONR）和海军水面战司令部（NSWC）联合开展“战术可重构虚拟作战增强现实”（TRACER）项目，该项目旨在开发基于增强现实的虚拟作战训练仿真模拟器，辅助海军士兵训练。TRACER侧重于围绕反恐和远征作战进行仿真，整套系统包括头戴式耳机、背包处理器和电磁触觉回馈武器。其中，电磁触觉回馈武器可提供逼真的后座力。该系统允许教官创建多种自适应模拟场景，可提供精确的武器和动态追踪功能，以及高逼真度的模拟视觉、听觉和触觉反馈，使美海军可在更广阔的训练场景中提升操作熟练度，快速适应不同作战场景、地理位置与作战对手。由于不受场地、天气、安全等诸多因素限制影响，通过该系统可进行复杂、高危等特殊场景训练，还可在不影响常规水面舰作业情况下开展舰员培训，解决舰上训练空间不足的问题。

总的来看，目前军用增强现实装备仍较为笨重，不适合长时间佩戴，在极端情况下甚至可能造成身体受到损伤，如上述F-35战机头盔显示系统在测试中仍发现存在重量过大给飞行员造成安全隐患的问题，不得不重新设计以将头盔重量由5.1磅减至4.6磅。从总体发展趋势来看，随着轻量化技术、传感器微型化、透明显示、可穿戴电子设备等技术的进步，未来增强现实技术将向更轻便、更舒适、低功耗、低延时、低成本、高分辨率、广视角等方向发展。

4 基于虚拟现实的航空训练系统

目前，美海军多数飞机训练器已严重老化，难以提升其运行速度，且升级维护成本高。美海军航空训练系统项目办公室负责人称，虚拟现实仿真器具有高保真的图像，可提供一种规模化且易于维护的训练架构；先进的仿真器还会给教官提供更为准确的学员训练数据，可辅助优化海军未来的训练策略。此外，真实-虚拟-构造技术（LVC）还将扩大海军红蓝（敌我）对抗性训练。

2021年10月美海军发布的《海军航空兵愿景2030−2035》明确指出综合应用虚拟现实、增强现实和人工智能技术，通过“下一代海军航空训练”计划对飞行员训练课程进行现代化改造，从而以更短的训练时间和更低的成本取得更好的训练效果。特别强调利用真实-虚拟-构造训练系统打造现代化的综合训练环境，海军将在“优化舰队反应计划”（OFRP）的基础训练阶段、综合/高级训练阶段及部署/维持阶段利用真实-虚拟-构造系统开展训练。在基础训练阶段，可利用真实-虚拟-构造系统模拟蓝军，而传统训练方法在早期训练阶段无法实现；在综合/高级训练阶段，真实-虚拟-构造系统将构建更强大的蓝军，参训人员将执行战术技术规程（TTP），与蓝军交战并取胜，同时缓解“非战斗费用支出”（NCEA）、训练场地和作战安全问题。最后，在部署和维持阶段，真实-虚拟-构造训练将培养舰队指挥官和航母打击群指挥官在维持战备方面的能力，并在海上作战中心（MOC）支持下对全任务谱系开展在途演训^[8]。基于此发展思路，美海军一方面发展可将过去多个训练系统联合并分析其训练效果的系统，如美海军航空系统司令部、海军训练中心和海军研究办公室合力研发的“战术训练任务执行情况评估-趋势分析”（PMATT-TA）项目，该项目可整合P-8A和P-3C多任务飞机的训练系统，可协助海军官员研究仿真战术训练的发展趋势，并对仿真训练与实际训练的结果进行评价，以确定从仿真训练转向实际培训的最佳时机；另一方面开发可在真实与虚拟环境下使用的先进训练系统如F-35全任务模拟器。

F-35全任务模拟器（FMS）是洛·马公司研制的战斗机模拟器，是美国洛·马公司F-35飞行员训练计划的重要部分。首台FMS于2011年交付埃格林军事基地，2018年底，洛·马公司通过多项措施将其单价格由1200万美元减少到900万美元，构建全任务模拟器所需的零件和组件数量从500个减少到仅为5个。2020年，洛·马公司投入3000多万美元持续降低F-35训练成本，提高训练能力，并持续进行技术升级，如在真实与虚拟环境下实现与四代机协同训练等。

F-35全任务模拟器可用于基础飞行训练、任务系统训练、特情处理、战术训练、以及航电升级后的适应性训练等，具体包括^[9]：

1）开展导航定位训练。包括正常地面操作、起飞、导航、应急机场起降程序，主次备降场训练、紧急迫降程序以及其他紧急程序等。

2）开展昼/夜空对空程序训练。在地面引导下离场、截击、电子对抗设备操作、威胁侦察、防御训练、F-35低风险环境中的数据链和权限管理、开关逻辑、紧急程序、传感器操作、武器使用等。

3）开展昼/夜空对地程序训练。大载荷起飞、应急抛弃程序、武器投放、电子对抗设备操作、威胁识别和防御、紧急转移程序、军械悬挂程序、传感器操作、武器使用等。

4）开展特情处理训练。将在每个训练周期完成以下方面的训练：异常姿态恢复改出、空间定向障碍、进入意外恶劣天气、受控飞行离场识别和恢复程序、受控和非受控模拟弹射、飞机子系统故障检查表程序、相关关键行动程序和精密仪表程序。

5）开展战术训练。模拟作战部署、威胁识别/应对和反击战术、飞机子系统故障检查程序、关键行动程序。

F-35全任务模拟器采用高保真360°球幕视景和分布式投影机，且视景系统可与头盔显示器结合，为操作人员提供全面的态势感知。模拟器视景系统由柯林斯航宇系统公司提供，包括EP-80图像生成器，可确保所有视频信道100%同步，实现图像在通道边界上没有明显的伪影；“鹰狮”球幕投影，采用丙烯酸材料，不会分散视觉效果；可同时运行多达25个窗口和7个传感器通道；SimEye SX50T Ⅱ头盔显示器，可模拟F-35飞行头盔视觉效果，该头盔显示器与集成在“鹰狮”球幕投影圆顶上的头盔跟踪系统相连。

目前的保真度允许45%～55％的初始训练飞行使用模拟器完成，F-35战斗机使用模拟器训练时间和实装训练时间基本保持50∶50比例，美军还希望更多训练在综合训练环境中进行。

5 结　语

以增强现实、虚拟现实、智能便携式平板等为代表的新型人机交互技术已在美海军广泛引用，其效果主要表现真实性、高效性、经济性、全面性和安全性，其中真实性指虚拟仿真能“真实”地模拟装备的各项功能，切实提高训练人员战备水平；高效性指交互式电子交互手册相比传统手册，能极大提高学习、检索、使用效率；经济性指智能便携设备、虚拟系统相对传统设备或训练舰艇升级更加便捷，采购成本相对低廉且维护、保养成本几可忽略；全面性指测试和评估全面，相对传统训练、测试与评估受时间、地点等影响，且评估存在人员主观判断因素，虚拟系统训练科目全面，不受时间、地点影响，评估环节尽量减少人员主观判断；安全性虚拟仿真不存在因受训人员误操作导致事故的风险。